The lithospheric and upper mantle structure of the Bransfield Strait (Antarctica) and the Ibero- Maghrebian region using receiver function analysis

• Autores: Joan Antoni Parera Portell
• Directores de la Tesis: Flor de Lis Mancilla Pérez (codir. tes.), José Morales Soto (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2025
• Idioma: inglés
• ISBN: 9791370150532
• Número de páginas: 162
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
• Resumen
  • español

    El estrecho de Bransfield y la zona Ibero-Magrebí son dos regiones en las que la convergencia, la subducción y el movimiento de rollback de las losas litosféricas subducidas han jugado un papel crucial durante largos períodos de su historia geológica. Actualmente la actividad de la subducción ha disminuido en ambas regiones hasta el punto en que se podrían considerar zonas inactivas, aunque varios procesos relacionados con las losas subducidas siguen influyendo en la compleja evolución tectónica. El reciente despliegue de redes sísmicas temporales tanto en el estrecho de Bransfield como en la Península Ibérica por parte del Instituto Andaluz de Geofísica - Universidad de Granada, así como la gran cantidad de otras redes temporales y permanentes desplegadas con anterioridad por diversas instituciones, permiten en esta tesis investigar en detalle la estructura sísmica tridimensional de las dos zonas de estudio, desde la corteza hasta el límite entre el manto superior e inferior. Para ello se utiliza la técnica conocida como análisis de funciones receptoras, consistente en la obtención de series temporales de conversiones de ondas P a S o de S a P a través de la deconvolución de sismogramas de telesismos registrados en estaciones sísmicas de tres componentes. Las conversiones de onda permiten la identificación y caracterización de las discontinuidades sísmicas bajo las estaciones correspondientes. En el estrecho de Bransfield los resultados muestran que el grosor cortical y la razón de velocidades sísmicas VP/VS son heterogéneas, especialmente en el extremo norte de la cuenca de retroarco. Sin embargo, la mayoría de estaciones muestran propiedades típicas de corteza continental extendida. Las excepciones se corresponden con las estaciones más cercanas al eje del rift, donde hay una Moho somera (15-20 km) por encima de una capa de underplating de velocidad intermedia entre la corteza y el manto, con base en torno a los 40 km. La identificación de la Moho de la placa de Phoenix, subducida bajo el estrecho de Bransfield, permitió ver un desgarro vertical en la losa a lo largo de una antigua zona de fractura, lo que permitiría el flujo de materiales mantélicos calientes hacia el interior de la cuenca, jugando probablemente un papel importante en la generación de magmas y su acumulación bajo la corteza en la capa de underplating. La zona del rift con una extensión más avanzada se encuentra al este del desgarro vertical, donde la losa subducida es más superficial. Esto indica que el movimiento relativo entre las placas Antártica y de Scotia supone una importante contribución a la extensión del rift, superpuesta al efecto de extensión causado por el movimiento de rollback de la losa de Phoenix. En profundidad, los datos muestran que la placa subducida llega a la zona de transición del manto bajo la Península Antártica, generando a la vez una zona de baja velocidad en la parte más superficial del manto inferior que se puede atribuir a fusión parcial por hidratación. En contraste con el estrecho de Bransfield, la disponibilidad de datos en la región Ibero-Magrebí es mucho mayor, lo que permite un análisis más detallado de la estructura. En primer lugar, el mapa regional de grosor cortical fue actualizado con los perfiles de alta densidad TROPICAL y PINSAPO, desplegados recientemente en el Arco de Gibraltar, que también sirvieron para investigar la estructura del paleomargen de Iberia. El paleomargen, subducido bajo el arco, muestra cambios de estructura que se corresponden con los límites de los diferentes dominios de la Iberia Varisca que conforman la corteza. En la zona del Golfo de Cádiz, el análisis conjunto de estaciones sísmicas de fondo marino con las de tierra mostró la geometría de la parte más occidental de la zona de subducción del Arco de Gibraltar. El segmento de litosfera oceánica del antiguo océano del Tetis Alpino remanente en el Golfo de Cádiz aparece en un ángulo de subducción muy bajo de oeste a este, aparentemente todavía conectado con la base del Arco de Gibraltar más occidental, como mínimo hasta los 4.5 °O donde la losa subducida de Gibraltar-Alborán gana buzamiento rápidamente hasta verticalizarse. Asimismo, las estaciones localizadas en tierra en la zona occidental del Arco de Gibraltar también muestran de norte a sur los paleomárgenes de Iberia y de África totalmente preservados, conectados a través de unos 150 km de corteza oceánica subducida. A nivel más regional, los resultados indican que el límite entre la litosfera y la astenosfera (LAB por sus siglas en inglés) en la zona Ibero-Magrebí es generalmente somero. Los mínimos de profundidad, por debajo de los 80 km, se encuentran en la costa mediterránea de Iberia y en el noroeste de la Península, mientras que profundidades superiores a los 90 km solo se observaron cerca de los Pirineos occidentales y en el noroeste de Marruecos. Algunos cambios bruscos de grosor litosférico parecen directamente relacionados con grandes estructuras como la falla STEP en el sureste de Iberia, donde también se identificaron capas de baja velocidad sublitosféricas probablemente relacionadas con el flujo de manto a través de ventanas en la losa de Gibraltar-Alborán. Las losas subducidas también juegan un papel muy importante en el estado de la zona de transición del manto, ya que lo afectan tanto térmica como químicamente. Tanto la losa de Gibraltar-Alborán como la del Tetis Alpino, remanente de extensas zonas de subducción actualmente desaparecidas en el Mediterráneo occidental, son responsables del engrosamiento generalizado de la zona de transición bajo el área de estudio. Ambos están, a la vez, asociados a capas de baja velocidad tanto encima de la zona de transición como en la parte más superficial del manto inferior, lo que indica que la subducción en la zona Ibero- Magrebí ha sido capaz de transportar en el pasado cantidades significativas de agua hasta tales profundidades. Los focos de volcanismo anorogénico activo en la región se correlacionan espacialmente muy bien con dichas capas de baja velocidad en el manto, así como con las zonas de LAB más superficial.

  • English

    The Bransfield Strait and the Ibero-Maghreb are two regions affected by a long history of convergence, subduction and slab rollback. Subduction has nowadays come to a halt or, at least, has greatly slowed down, but slab-related processes continue to shape their complex structure. In this thesis I take advantage of recent temporary deployments in both regions to comprehensively study the three-dimensional seismic structure from the crust to the uppermost lower mantle, using P and S-wave receiver functions analysis. This technique consists in isolating P-to-S and S-to-P wave conversions from the seismograms of teleseismic events to locate seismic discontinuities below a receiver station. In the Bransfield Strait, the crustal thickness and VP/VS were found to be heterogeneous, especially on the northern side of the back-arc rift basin. Overall, the average crustal properties are typical of extended continental crust, even though the stations closer to the rift axis feature a very shallow Moho (15-20 km) underlain by an underplating layer that reaches 40 km depth. The imaging of the Phoenix slab Moho also revealed a vertical slab tear which allows the flow of hot mantle into the basin and probably facilitates the accumulation of melts in the underplating layer at the base of the crust. The thinnest crust in the basin, which is located on top of the eastern and shallower slab segment, suggests that regional transtension in the area plays an important role in the development of the rift. The slab is also responsible for the thickening of the mantle transition zone below the Antarctic Peninsula and for a low-velocity zone in the uppermost lower mantle that I link to hydration. The much larger data availability in the Ibero-Maghrebian region permitted a more thorough analysis than in the Bransfield Strait. Firstly, the recent TROPICAL and PINSAPO high-density seismic profiles were used to update the regional Moho depth map and explore the structure of the Iberian Tethys paleomargin in the Gibraltar Arc. Major structural features were detected coinciding with the limits between the Variscan domains of the subducted Iberian paleomargin. Ocean-bottom seismometers in the Atlantic also allowed to image the continuity of the remaining Alpine-Tethys oceanic lithosphere from the Gulf of Cádiz to the westernmost Gibraltar Arc, where the paleomargins of Africa and Iberia appear fully preserved and connected to a 150 km wide segment of oceanic crust. The Ibero-Maghrebian lithosphere-asthenosphere boundary is mostly shallow, achieving minimum depths (<80 km) along the eastern coast and northwest of Iberia and only exceeding 90 km in northwestern Morocco and north-central Iberia. Some sharp LAB depth changes are linked to lithospheric-scale structures. The most striking case is the STEP fault in southeast Iberia, near which sublithospheric low-velocity layers probably linked to the hot mantle flow through slab windows were also imaged. The mantle transition zone is severely affected by the subducted Gibraltar-Alboran and Alpine-Tethys slabs, both thermally and chemically. The cold slabs cause a thickening of the transition zone along the eastern and southern coast of Iberia and the Mediterranean, and are linked to low-velocity layers both on top and below the transition zone. Such low velocity areas indicate that subduction involved a significant water flux into the mantle, and coincide spatially with the location of active anorogenic magmatism.